DE3882786T2

DE3882786T2 - Magnetoresistiver Sensor mit antiferromagnetischem Film von gemischter Phase.

Info

Publication number: DE3882786T2
Application number: DE88105076T
Authority: DE
Inventors: James Kent Howard; Ting Chun Huang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1987-04-28
Filing date: 1988-03-29
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2008-03-30
Also published as: EP0288765B1; EP0288765A3; DE3882786D1; EP0288765A2; JPH0636444B2; JPS63273373A; US4782413A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft magnetoresistive (MR-) Lesesensoren und insbesondere einen MR-Lesesensor, in dem ein verbesserter antiferromagnetischer Film ein längsgerichtetes Vormagnetisierungsfeld in dem ferromagnetischen MR-Film des Sensors aufbaut.
Eine allgemeine Beschreibung des Funktionsprinzips von MR- Sensoren in magnetischen Aufzeichnungssystemen enthält die Veröffentlichung "Magnetics of Small Magnetoresistive Sensors" von Tsang, J.Appl.Phys., Vol. 55(6), mit Datum vom 15. März 1984, S. 2226-2231.
Ein MR-Sensor zum Lesen von Informationssignalen von einem magnetischen Aufzeichnungsmedium wird in dem Patent US-A- 4.103.315 beschrieben, das Hempstead et al erteilt wurde und in dem die in der Einleitung von Anspruch 1 genannten Merkmale niedergelegt sind. Das Patent beschreibt einen MR- Lesesensor, der antiferromagnetische/ferromagnetische Austauschkopplungen verwendet, um eine gleichförmige längsgerichtete Vormagnetisierung in der MR-Schicht des Sensors herzustellen. Die Patentschrift EP-A-0216062 befaßt sich mit einem solchen MR-Sensor, beschreibt jedoch eine antiferromagnetische FeMn-Schicht, die in separate Endabschnitte unterteilt ist, um eine Austauschvormagnetisierung vorwiegend in den angrenzenden Endabschnitten der MR-Schicht bereitzustellen. Durch die Austauschkopplung zwischen den antiferromagnetischen und ferromagnetischen Schichten entsteht ein einzelner Domänenzustand in der ferromagnetischen Schicht, wodurch das sogenannte Barkhausen-Rauschen, das mit Domänenaktivitäten im Zusammenhang steht, unterdrückt wird. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, den Austauschvormagnetisierungseffekt in der MR-Schicht zu maximieren.
Die in dem Patent US-A-4103315 vorgeschlagenen Werkstoffe sind Nickel-Eisen (NiFe) für die ferromagnetische MR-Schicht und eine kubisch-flächenzentrierte Phase (Gammaphase) einer Manganlegierung (Mn) für die antiferromagnetische Schicht. Von den möglichen Manganlegierungen der Gammaphase scheint Eisen-Mangan (FeMn) das größte Vermögen zur Austauschkopplung mit der NiFe-Schicht aufzuweisen.
Die Stärke des Austauschvormagnetisierungsfelds für austauschgekoppelte Filme aus aufgesputtertem NiFe/FeMn und FeMn/NiFe wurde von Tsang et al in der Abhandlung "Exchange Induced Unidirectional Anisotropy at FeMn-Ni&sub8;&sub0;Fe&sub2;&sub0; Interfaces" untersucht, erschienen in J.Appl.Phys., Vol. 52(3), März 1981, S. 2471-2473. In dieser Abhandlung werden auch die Auswirkungen einer Modifizierung der FeMn-Filmstärke auf Kupfersubstraten (Cu) beschrieben, und es wird gefolgert, daß der Verlust der Austauschvormagnetisierung in der NiFe- Schicht mit zunehmender Stärke des FeMn-Films auf den Verlust der Gammaphase an der Cu/FeMn-Schnittstelle zurückzuführen ist.
Daher stellt die vorliegende Erfindung einen magnetoresistiven Sensor des Typs bereit, der eine Schicht aus antiferromagnetischem Material besitzt, die in direktem Kontakt mit einer magnetoresistiven Schicht aus ferromagnetischem Material steht, um ein längsgerichtetes Austauschvormagnetisierungsfeld in der magnetoresistiven Schicht zu induzieren, wobei das antiferromagnetische Material eine FeMn- Legierung enthält, die FeMn sowohl in der Gammaphase als auch in der Alphaphase enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der FeMn-Anteil in der Alphaphase größer als der FeMn-Anteil in der Gammaphase ist.
Durch die verbesserte Zusammensetzung der antiferromagnetischen Schicht wird der Austauschvormagnetisierungseffekt in dem MR-Sensor erhöht.
Zum besseren Verständnis wird der Gegenstand der vorliegenden Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Dünnfilm-MR-Sensors zeigt, der den Stand der Technik widerspiegelt;
Fig. 2A und 2B Graphen des Röntgenstrahlen-Beugungsbilds für die FeMn-Alphaphase bzw. FeMn-Gammaphase zeigen;
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Schleifenverschiebung oder der Austauschvormagnetisierung (HUA) in einer NiFe-Schicht abhängig von dem prozentualen Anteil von
FeMn der Alphaphase in der FeMn-Schicht in einer Struktur zeigt, in der der NiFe-Film direkt auf einem Glassubstrat gebildet wird; und
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Austauschvormagnetisierung (HUA) in einer NiFe-Schicht abhängig von dem prozentualen Anteil von FeMn der Alphaphase in der
FeMn-Schicht in einer Struktur zeigt, in der der NiFe-Film auf einer Unterlage aus Tantal (Ta) auf einem Glassubstrat gebildet wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt ein typischer magnetoresistiver Dünnfilm-Sensor ein Substrat 10, eine quergerichtete Vormagnetisierungsschicht 12, eine Abstandsschicht 14, eine magnetoresistive Schicht 16 sowie eine antiferromagnetische Schicht 18. Die MR-Schicht 16, die aus ferromagnetischem Material wie z. B. Ni&sub8;&sub0;Fe&sub2;&sub0; besteht, ist mit elektrischen Leitern 20 verbunden und liefert einen Ausgangsstrom. Der Ausgangsstrom der MR-Schicht 16 ist ein Signal, das einem separaten Ansprechschaltkreis die Ermittlung von Widerstandsänderungen in der MR-Schicht gestattet. Die Widerstandsänderungen resultieren aus Änderungen in den Magnetfeldern, die von der MR-Schicht 16 aus aufgezeichneten Daten auf dem magnetischen Speichermedium abgefangen wurden.
Um sicherzustellen, daß die MR-Schicht 16 einachsige Anisotrophie aufweist, wird eine antiferromagnetische Schicht auf der MR-Schicht 16 gebildet. Die antiferromagnetische Schicht, für die in bisherigen Anwendungen gemäß dem Stand der Technik z. B. die Gammaphase von Mn-Legierungen verwendet wurde, erzeugt an der Schnittstelle eine Austauschkopplung mit der ferromagnetischen MR-Schicht 16. Dies führt zu dem Aufbau eines längsgerichteten Austauschvormagnetisierungsfelds (HUA) in der MR-Schicht 16 und zur Erzeugung eines einzelnen magnetischen Domänenzustands in der MR-Schicht 16. Das Vorhandensein eines einzelnen magnetischen Domänenzustands in MR- Schicht 16 ist zur Unterdrückung von Barkhausen-Rauschen erforderlich, das in Verbindung mit MR-Werkstoffen auftritt, die mehrere magnetische Domänenzustände aufweisen.
Die quergerichtete Vormagnetisierungsschicht 12 liefert ein Magnetfeld, das allgemein senkrecht zu dem Medium ausgerichtet ist, wodurch das Magnetfeld in MR-Schicht 16 leicht in eine Richtung vormagnetisiert wird, die nicht parallel zu dem Medium verläuft. Durch diese quergerichtete Vormagnetisierung verbleibt die MR-Schicht 16 in einem linearen Ansprechmodus, so daß sich die Stromabgabe grundsätzlich linear zu den Widerstandsänderungen verhält. Wie auf diesem Fachgebiet bekannt ist, kann die quergerichtete Vormagnetisierung durch Nebenschluß-Vormagnetisierung, Soft-Film- Vormagnetisierung oder Dauermagnet-Vormagnetisierung erfolgen.
Eine umfassendere Beschreibung des in Fig. 1 gezeigten MR- Sensors sowie alternative Ausführungsbeispiele sind in dem Patent US-A-4103315 enthalten.
Um die Wirkung der verschiedenen kristallinen Phasen der antiferromagnetischen FeMn-Schicht auf der ferromagnetischen NiFe-Schicht zu bestimmen, wurden Filmstrukturen durch Abscheiden von FeMn-Filmen unter verschiedenen Sputterbedingungen auf NiFe-Schichten, die auf unterschiedlichen Substraten gebildet wurden, vorbereitet. Anschließend wurden diese FeMn- Filme einer Röntgenbeugungsanalyse unterzogen. Der Vergleich der relativen Werte der Beugungsspitzen mit den bekannten Spitzenwerten für die Alphaphase und die Gammaphase ergab die relativen prozentualen Anteile der beiden in dem FeMn-Film vorhandenen Phasen. Anschließend wurde eine magnetische Hystereseschleife für die Filmstrukturen unter Verwendung eines vibrierenden Abtast-Magnetometers berechnet, um die Schleifenverschiebung oder Austauschvormagnetisierung (HUA) zu ermitteln. Die Größe der Austauschvormagnetisierung (HUA) wurde dann abhängig von den relativen Anteilen der Alpha- und Gammaphase von FeMn am Plotter ausgegeben.
Die berechneten Röntgenbeugungsmuster für FeMn-Schichten einer reinen Alpha- und Gammaphase sind in Fig. 2A und Fig. 2B dargestellt. Jeder der Spitzenwerte entspricht der Reflexion aus einer bestimmten Ebene in der kristallinen Struktur, wie aus Fig. 2A und 2B ersichtlich ist. Daher ist es möglich, das Vorhandensein der FeMn-Phasen in einem bestimmten Film aus einem abgetasteten Röntgenbeugungsbild zu erschließen, indem die Position der gemessenen Spitzenwerte mit der Position der bekannten Spitzenwerte verglichen wird.
Die relative Größe der Beugungsspitzenwerte, die den jeweiligen FeMn-Phasen entsprechen, wurde für zwei Gruppen von FeMn-Filmen gemessen. Die erste Gruppe von FeMn-Filmen wurde auf einer 40 nm starken NiFe-Schicht abgeschieden, die direkt auf einem Glassubstrat gebildet wurde, während die zweite Gruppe von FeMn-Filmen auf einer 40 nm starken NiFe-Schicht abgeschieden wurde, die auf einer sechseckigen dichtest gepackten (HCP) Tantal-Unterlage (die Betaphase von Ta) auf einem Glassubstrat gebildet wurde. Die Austauschvormagnetisierung wurde für diese Filme gemessen und abhängig von dem prozentualen Anteil von FeMn der Alphaphase in dem FeMn-Film am Plotter ausgegeben. Diese Daten sind in Fig. 3 und Fig. 4 veranschaulicht, welche für jeden Datenpunkt die spezifischen Sputterbedingungen der Target-Spannung und des Argon-Drucks angeben.
Aus den in Fig. 3 und Fig. 4 veranschaulichten Daten ist ersichtlich, daß die Austauschvormagnetisierung durch den Anteil von FeMn der Alphaphase in der antiferromagnetischen Schicht erhöht wird. Der Anteil von FeMn der Alphaphase ist maßgeblich von dem Substrat und den Sputterbedingungen abhängig. Dies bedeutet, daß die Stärke der Austauschvormagnetisierung nicht nur von dem Substrat, auf dem die NiFe-Schicht gebildet wird, sondern auch von den Sputterbedingungen abhängig ist. Allgemein erhöht sich der HUA-Wert bei sinkenden Target-Spannungen (was zu einer geringeren Abscheidungsgeschwindigkeit führt) und bei höheren Sputter-Drücken.
Wenn FeMn auf einer HCP-Phase von Tantal abgeschieden wird, ist die FeMn-Gammaphase die vorherrschende Struktur in dem antiferromagnetischen Material. Zu beachten ist, daß in Fig. 4 die Austauschvormagnetisierung (HUA) zwischen 560 A/m und 2320 A/m abhängig von den Sputterdrücken und Target-Spannungen schwankt. Durch das Abscheiden von NiFe/FeMn auf Glas oder anderen nichtmetallischen Substraten wird die Abhängigkeit von HUA von der Abscheideleistung und dem Druck (Fig. 3) reduziert, und es wird ein hoher Anteil von FeMn der Alphaphase erzeugt. Das Vorhandensein einer BCC-Phase von Tantal als Unterlage (oder anderen BCC-Metallen wie z. B. Mo, W und Nb) erhöht tendentiell den Anteil von FeMn der Alphaphase.
Da FeMn der Alphaphase die stabile Phase der FeMn-Legierung darstellt, weist ein HR-Sensor mit einer antiferromagnetischen FeMn-Schicht, die FeMn der Alphaphase als dominierende Phase enthält, Austauschvormagnetisiereigenschaften auf, die auch nach Temperaturwechselbeanspruchungen von Raumtemperatur auf eine Prozeßtemperatur von etwa 260 Grad Celsius über einen Zeitraum von 20 Stunden unverändert bleiben. In bezug auf FeMn-Filme, die einen geringen oder gar keinen Anteil von FeMn der Alphaphase aufweisen, wurde festgestellt, daß MR-Sensoren entstehen, deren Austauscheigenschaften sich nach solchen wiederholten Temperaturwechselbeanspruchungen verschlechtern.

Claims

1. Ein magnetoresistiver Sensor des Typs, der eine Schicht aus antiferromagnetischem Material (18) aufweist, die in direktem Kontakt mit einer magnetoresistiven Schicht aus ferromagnetischem Material (16) steht, um ein längsgerichtetes Austauschvormagnetisierungsfeld (HUA) in der magnetoresistiven Schicht (16) zu induzieren, wobei die antiferromagnetische Schicht eine FeMn-Legierung einschließlich der Gammaphase sowie der Alphaphase enthält, dadurch gekennzeichnet, daß:

der FeMn-Anteil der Alphaphase den FeMn-Anteil der Gammaphase übersteigt.

2. Ein Sensor gemäß Anspruch 1, der weiterhin Mittel (12) zur Erzeugung eines quergerichteten Vormagnetisierungsfeldes in dieser magnetoresistiven Schicht (16) enthält.

3. Ein Sensor gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem die magnetoresistive Schicht eine Legierung ist, die NiFe enthält.

4. Ein Sensor gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die magnetoresistive Schicht auf einem nichtmetallischen Substrat abgeschieden ist.

5. Ein Sensor gemäß Anspruch 4, bei welchem dieses nichtmetallische Substrat ein Glassubstrat ist.